1、标准评定合格不合格矢量控制系统原理分析充分性评仿真模型搭建合理疋仿真结果分析标设计报告答辩内容充实答辩效果准总成绩日期年 月日题目：永磁同步电机矢量控制调速系统仿真目的：通过搭建仿真模型，克服了传统教学中枯燥、抽象、难于理解等弊端，消化知识单元六中矢量控制的理论知识，达到良好的教学效果。要求：利用MATLAB/simulink中的电力系统工具箱搭建PMS矢量控制系统仿真 模型，通过调节PI参数，得到良好的动静态性能，观察系统突加减变负 载运行工况下的速度、电流及转矩变化情况。任务：1、学习永磁同步电机矢量控制技术；2、 搭建永磁同步电机矢量控制系统仿真模型；3、 调试PI调节器参数满足各种工况
2、；4、 针对仿真模型进行演示答辩，考查其掌握程度。成果形式：现场演示+书面报告1永磁同步电动机的矢量控制原理 11.1永磁同步电动机的矢量控制原理 11.2永磁同步电动机矢量控制运行时的基本电磁关系 11.3永磁同步电动机的矢量控制策略 22永磁同步电动机矢量控制系统 id=0控制的simulink仿真 42.1永磁同步电动机矢量控制系统的建模 42.2永磁同步电动机矢量控制系统的 simulink仿真 52.2.1空载启动仿真 52.2.2转速突变仿真 62.2.3负载突变仿真 83仿真结果分析 111永磁同步电动机的矢量控制原理1.1永磁同步电动机的矢量控制原理近二十多年来电动机矢量控制、
3、直接转矩控制等控制技术的问世和计算机人 工智能技术的进步，使得电动机的控制理论和实际控制技术上升到了一个新的高 度。目前，永磁同步电动机调速传动系统仍以采用矢量控制技术为主。矢量控制实际上是对电动机定子电流矢量相位和幅值的控制。 本论文采用按 转子磁链定向的方式。由式（16）可以看出，当永磁体的励磁磁链和直、交轴电感 确定后，电动机的转矩便取决于定子电流的空间矢量 is，而is的大小和相位又取 决于id和iq也就是说控制id和iq ;便可以控制电动机的转矩。一定的转速和转矩 对应于一定的id和iq，通过这两个电流的控制，使实际id和iq ；跟踪指令值id和iq， 便实现了电动机转矩和转速的控制
4、。由于实际馈入电动机电枢绕组的电流是三相交流电流 iA、iB和ic，因此, 相电流的指令iA、ip和ic必须由下面的变换从id和iq得到：id） 一iqJ式中，电动机转子位置信号由位于电动机非负载端轴伸上的速度、 位置传感器提供。通过电流控制环，可以使电动机实际输入三相电流 iA、iB和ic与给定的指令 iA iB和ic 一致，从而实现了对电动机转矩的控制。上述电流矢量控制对电动机稳态运行和瞬态运行都适用。 而且id和iq是各自 独立的；因此，便于实现各种先进的控制策略1.2永磁同步电动机矢量控制运行时的基本电磁关系永磁同步电动机的控制运行是与系统中的逆变器密切相关的， 电动机的运行性能受到逆
5、变器的制约。最为明显的是电动机的相电压有效值的极限值 Ulim和相 电流有效值的极限值I Hm要受到逆变器直流侧电压和逆变器的最大输出电流的限 制。当逆变器直流侧电压最大值为Uc时，Y接的电动机可达到的最大基波相电压 有效值：（2） 而在d-q轴系统中的电压极限值为ulifm = 3uim :（1）电压极限圆 电动机稳态运行时，电压矢量的幅值：- u2 （ 3）将式（24）代入式（29）得：U - （- Lqiq Rid）2 （ Ldid f Rliq）2: （4）（-Xqiq Rid）2 （Xdid eo Rliq）2由于电动机一般运行于较高转速，电阻远小于电抗，电阻上的压降可以忽略 不计，
6、上式可简化为U（亠 L qf （ J d 3 牡（-Xq 2q） （ Xd 0d 2e）（31）以Ulim代替上式中的U，有（Lqiqf +屮洛荷/ 2） （5）当Ld = Lq时，式（32）是一个椭圆方程，当Ld = Lq时（即电动机为表面凸出式转子磁路结构时），式（32）是一个以（人f/g, 0）为圆心的圆方程，下面以Ld =Lq为例，将式（32）表示在idiq的平面上，即可得到电动机运行时的电压 极限轨迹一一电压极限圆。对某一给定转速，电动机稳态运行时，定子电流矢量 不能超过该转速下的椭圆轨迹，最多只能落在椭圆上。随着电动机转速的提高， 电压极限椭圆的长轴和短轴与转速成反比地相应缩小，从
7、而形成了一族椭圆曲 线。（2）电流极限圆 电动机的电流极限方程为：（6）id iq2= ili2m上式中km =3|恤，IHm为电动机可以达到的最大相电流基波有效值，式（33）表示的电流矢量轨迹为一以idiq平面上坐标原点为圆心的圆。电动机运行时，定子电流空间矢量既不能超出电动机的电压极限圆， 也不能超出电流极限圆。1.3永磁同步电动机的矢量控制策略id =0时，从电动机端口看，相当于一台它励直流电动机，定子电流中只有 交轴分量，且定子磁动势空间矢量与永磁体磁场空间矢量正交， 卩等于90,电动机转矩中只有永磁转矩分量，其值为Te 二 p f isid =0控制时的相量图如图8所示：0 V th
8、fiL I图8 id =0矢量控制相量图从图中可以看出，反电动势相量 E0与定子电流相量I0同相。对表面凸出示 转子磁路结构的永磁同步电动机来说，此时单位定子电流可获得最大的转矩。或 者说，在生产所需要转矩的情况下，只需最小的定子电流，从而使铜耗下降，效 率有所提高。这也是表面凸出示转子磁路结构的永磁同步电动机通常采用 id =0控制的原因。从电动机的电压方程（忽略定子电阻）和转矩方程可以得到采用id=0控制时 在逆变器极限电压下电动机的最高转速为式 （35）。从式（35）可以看出，采用id = 0 控制时，电动机的最高转速既取决于逆变器可提供的最高电压、 也取决于电动机 的输出转矩。电动机可
9、达的最高电压越大，输出转矩越小，则最高转速越高。C Uli m （ 8）按转子磁链定向并使id =0的控制方式，对于隐极永磁同步电动机控制系统， 定子电流和转子磁通是互相独立的， 控制系统简单，转矩恒定性好，可以获得很 宽的调速范围，适合于需要高性能的数控机床、机器人等场合。2永磁同步电动机矢量控制系统 id=O控制的simulink仿真2.1永磁同步电动机矢量控制系统的建模图9为id =0控制系统原理图。图中，和二为检测出的电动机转速和角度空 间位移，iA，iB和iC为检测出的实际定子三相电流值。在图11中采用了三个串联的闭环分别实现电动机的位置、速度和转矩控制。转子位置实际值与指令值的差值
10、作为位置控制器的输入， 其输出信号作为速度的 指令值，并与实际速度比较后，作为速度控制器的输入。速度控制器的输出即为 转矩的指令值，转矩的实际值可根据给定的励磁磁链和经矢量变换后得到的 id、 iq由转矩公式求出。实际转矩信号与转矩指令值的差值经转矩控制器和矢量变换 e心后，即可得到电动机三相电流的指令值，再经电流控制器便可实现电动机的 控制。直流电源图9 id=0控制系统框图根据图9利用Matlab7.6.0中的simulink工具建立永磁同步电动机矢量控制系 统id =0控制的仿真模型，如图10所示：图10永磁同步电动机矢量控制系统 id =0控制的仿真图2.2永磁同步电动机矢量控制系统的
11、 simulink仿真矢量控制是当前高性能交流调速系统一种典型的控制方案。本章分析了永磁 同步电动机矢量控制的原理，建立了系统的数学模型，给出了系统的实现方案， 在Matlab/simuli nk环境下对系统进行了仿真试验。2.2.1空载启动仿真指令转速1000转/分，空载，启动过程的仿真波形如以下各图所示:图20转速波形图图21转矩波形图仿真中，电动机空载启动，t=0.025s前转速、转矩和电流均大幅震荡，在t=0.07s 时转速达到稳定值1000转/分，稳态误差为-2% 2.2.2转速突变仿真指令转速由1000转/分突变为800转/分，负载转矩Tm=2N.m，启动过程的仿 真波形如以下各图
12、所示：20.005-TTTO 8 58116.11406OD.图23转速波形图图24转矩波形图图25三相电流波形图电动机负载启动，t=0.02s前为震荡过程，t=0.02s到0.04s,转矩Te开始攀升， 并在t=0.04s开始稳定波动，由于此间电磁转矩小于负载转矩，所以该时间段转速 下降。t=0.08s时转速稳定在指令值1000转/分，直到t=0.1s，指令转速突变为800 转/分，此时转矩突然下降到0下，紧接着t=0.1s到0.11s是转矩提升过程。伴随转 矩变化，转速做出了相应的下降变化，电流突然变小；t=0.11s后转矩稳定波动于 2N.m，转速回升，于t=0.16s稳定在指令值800
13、转/分。2.2.3负载突变仿真永磁同步电机的负载突变时，电机的电流、速度、推力等参数都会发生很大 的变化，负载突变特性可为系统的优化设计、控制策略实施、安全运行等提供理 论基础。这里的负载突变指在转速一定的情况下，负载转矩由一个数据突变到另 一个数据。指令转速1000转/分，负载转矩由2N.m突变为5N.m，启动过程的仿真波形如 以下各图所示：图26转速波形图4D图27转矩波形图320o 62U-2- O11.一_u08 osD6o.1402906040-20-40-60-80图28三相电流波形图t=O.1s前转速、转矩、电流变化与421同，当负载转矩在t=O.1s突升到5N.m 时，电动机转速并不受影响，转矩也在t=O.1s时达到5N.m。3仿真结果分析对于电流id=O控制方式启动响应速度相对较缓慢，转速有一个比较大的脉 动。当空载时，转速，转矩，定子电流都有一个脉动，经过调节，转速能够快速 跟踪给定值。三相定子电流呈正玄波变化，从各中参数的变换可以看出系统能很 快稳定在所设定的参考值下，证明永磁同步电机矢量控制系统的稳定性及调速性 能很好。
